CN108780030B - 用于超细颗粒尺寸检测的激光传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种用于检测超细颗粒(10)的激光传感器模块(100)，所述超细颗粒具有300nm或更小、更优选200nm或更小、最优选100nm或更小的颗粒尺寸，所述激光传感器模块(100)包括：‑至少一个激光器(110)，其适于对由至少一个电驱动器(130)提供的信号做出反应而将激光发射到至少一个聚焦区域；‑至少一个检测器(120)，其适于确定所述至少一个激光器(110)的激光腔内的光波的自混合干涉信号，其中，所述自混合干涉信号是由重新进入所述激光腔的反射激光引起的，所述反射激光是由接收所述激光的至少部分的颗粒反射的；‑所述激光传感器模块(100)被布置为执行至少一次自混合干涉测量；‑所述激光传感器模块(100)适于借助于基于所述至少一次自混合干涉测量而确定的至少一个测量结果来确定具有第一灵敏度的第一颗粒尺寸分布，所述激光传感器模块还适于确定具有第二灵敏度的第二颗粒尺寸分布函数，所述第二灵敏度不同于所述第一灵敏度；‑至少一个评价器(140)，其适于通过从所述第一颗粒尺寸分布函数中减去与校准因子q相乘的所述第二颗粒尺寸分布函数来确定300nm或更小的颗粒尺寸的颗粒度量。本发明还描述了对应的方法和计算机程序产品。本发明实现了能够检测具有100nm或者甚至更小的尺寸的颗粒的、基于激光自混合干涉的简单并且低成本的颗粒检测模块或颗粒检测器。

Description

用于超细颗粒尺寸检测的激光传感器
技术领域
本发明涉及用于超细颗粒尺寸检测的激光传感器或激光传感器模块以及超细颗粒尺寸检测的相关方法。本发明还涉及对应的计算机程序产品。
背景技术
通常，认为光学技术不能够检测超细颗粒(在300nm或更小量级上的颗粒尺寸)。颗粒的有效反射随着颗粒尺寸而大幅减小，这不仅是由于颗粒的尺寸小，而且还由于MIE散射给出的减小的反向散射效应(对于0.1微米与1微米之间的直径为～D2，而对于<0.1微米的直径为～D4，其中，D为颗粒的直径)。由于信号幅度的急剧减小，不再能够区分超细颗粒与噪声。
SUDOL S等人在OPTICS EXPRESS，第14卷，第3期，2006年2月6日(2006-02-06)，第1044-1054页，XP002753399，DOI:10.1364/OE.14.001044上的“Quick and easymeasurement of particle size of Brownian particles and planktons in waterusing a self-mixing laser”一文描述了一种用于快速且容易地测量悬浮液中的小颗粒的尺寸的方法。该方法使用自混合激光多普勒测量，其利用具有极高的光学灵敏度的激光-二极管-泵送、薄片-LiNdP4O12激光器。
CN 104458514 A公开了一种用于快速测量纳米颗粒直径分布的激光自混合方法以及对应的测量设备。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于超细颗粒尺寸检测的简单并且便宜的激光传感器模块。本发明由独立权利要求来定义。从属权利要求定义了有利实施例。
根据第一方面，提供了一种用于检测超细颗粒的激光传感器模块，所述超细颗粒具有300nm或更小、更优选200nm或更小、最优选100nm或更小的颗粒尺寸。所述激光传感器模块包括：
-至少一个激光器，其适于对由至少一个电驱动器提供的信号做出反应而将激光发射到至少一个聚焦区域，
-至少一个检测器，其适于确定所述至少一个激光器的激光腔内的光波的自混合干涉信号，其中，所述自混合干涉信号是由重新进入所述激光腔的反射激光引起的，所述反射激光是由接收所述激光的至少部分的颗粒反射的，
-所述激光传感器模块被布置为执行至少一次自混合干涉测量，
-所述激光传感器模块适于借助于基于所述至少一次自混合干涉测量而确定的至少一个测量结果来确定具有第一灵敏度的第一颗粒尺寸分布函数，所述激光传感器模块还适于确定具有第二灵敏度的第二颗粒尺寸分布函数，所述第二灵敏度不同于所述第一灵敏度，
-至少一个评价器，其适于通过从所述第一颗粒尺寸分布函数中减去与校准因子q相乘的所述第二颗粒尺寸分布函数来确定300nm或更小的颗粒尺寸的颗粒度量。
所述第二灵敏度可以被选取为使得小于定义的阈值颗粒尺寸的颗粒不被检测到。所述第一灵敏度可以被选取为使得小于定义的阈值颗粒尺寸的颗粒被检测到。所述第一颗粒尺寸分布函数和所述第二颗粒尺寸分布函数在定义的阈值颗粒尺寸之上具有基本上相同的形状。信号的大小随着灵敏度而缩放。因此，能够通过从所述第一颗粒尺寸分布函数中减去与在这种情况下大于1的恒定校准因子q相乘的所述第二颗粒尺寸分布函数来确定小于定义的阈值的颗粒尺寸的颗粒度量。可以借助于考虑所述校准因子q的相减来消除由较大颗粒引起的可能掩蔽较小颗粒的信号的影响。如果第一灵敏度低于第二灵敏度(这意味着第一颗粒尺寸分布函数并没有示出与小于定义的阈值的颗粒有关的任何信号)，则可以使用相同的流程。在这种情况下，校准因子q小于1。所选取的阈值颗粒尺寸可以为300nm、200nm、100nm或者甚至50nm。通过较大颗粒的影响被最优地消除的方式来确定所述校准因子q。当前模型计算结果指示所述校准因子q值取决于颗粒尺寸分布。检测到的来自特定尺寸的颗粒的比率似乎是由两个测量条件给出的，因此，不是由颗粒分布给出的。不管怎样，即使在颗粒分布将要求针对颗粒尺寸的不同范围的不同q值的情况下，在这种测量中也存在对此进行校正的方法。通过a-qb规则地导出超细颗粒的数量(小于定义的阈值的颗粒)，其中，a表示第一颗粒尺寸分布，并且b表示第二颗粒尺寸分布函数。能够在后续步骤中导出比率(a-qb)/a。该比率将是针对小颗粒的相对贡献的度量。最终，将在必要时针对颗粒分布对q进行校正。
所述至少一个激光器例如可以是半导体激光器，如侧面发射器或垂直腔面发射激光器(VCSEL)。所述检测器可以是被布置为确定至少一个激光器的激光腔中的光波的变化以便确定自混合干涉信号的任何传感器布置，所述自混合干涉信号是借助于在至少一个激光器的操作期间由激光器发射的激光、由颗粒反射的激光以及重新进入激光腔的激光来生成的。所述检测器例如可以是光电二极管，所述光电二极管可以被集成在VCSEL中，或者测量电路被布置为确定跨激光腔的电阻。所述至少一个激光器可以是单个激光器或激光器阵列，诸如具有被集成在一个光学半导体芯片上的两个、三个、四个或更多个激光器的VCSEL阵列。
所述颗粒度量可以指代颗粒的绝对数量、相对于参考体积的颗粒密度、相对于参考体积的质量浓度、颗粒分布或密度或相关的声学信号的任何种类的图形表示。
所述颗粒可以借助于流体来承载。所述流体例如可以是如水的液体或者如空气的气体。
一次自混合干涉测量可能是足够的，以便确定第一颗粒尺寸分布函数和第二颗粒尺寸分布函数。在这种情况下，所述激光传感器模块可以适于借助于基于所述至少一次自混合干涉测量而确定的所述至少一个测量结果来确定所述第二颗粒尺寸分布函数。
在这种情况下，所述至少一个评价器可以适于将第一阈值应用于基于所述至少一次自混合干涉测量而确定的测量结果。在这种情况下，所述至少一个评价器还可以适于借助于所述测量结果和所述第一阈值来确定所述第一颗粒尺寸分布函数。在这种情况下，所述至少一个评价器还适于将第二阈值应用于基于所述至少一次自混合干涉测量而确定的所述测量结果，所述第二阈值不同于所述第一阈值。在这种情况下，所述至少一个评价器还可以适于借助于所述测量结果和所述第二阈值来确定所述第二颗粒尺寸分布函数。所述第二阈值例如可以高于所述第一阈值，使得所述第二颗粒尺寸分布函数不示出与在如上所讨论的预定颗粒阈值尺寸处更小的颗粒有关的任何信号。在这种情况下，如以上所讨论的，校准因子q将大于1。所述检测阈值例如能够被设定为模拟检测阈值水平，其被设定在特定信号水平上。高于该水平的测量信号被检测为颗粒。该水平可以增大，以便得到在q大于1的情况下的所述第二颗粒分布函数。备选地，在快速傅里叶变换(FFT)之后，能够基于在与相应的颗粒尺寸颗粒相对应的特定频率处的信号强度来设定阈值。再次地，能够使该阈值变化以获得两个颗粒尺寸分布函数。备选地或额外地，可以在检测时设定信噪比(SNR)。SNR检测阈值可以被设定为两个不同的值。这能够在模拟域或数字域中完成。一个变量可以是确定SNR并且设定所要求的SNR水平。另一选项将是使用相同的SNR阈值水平，但是具有不同的噪声带宽。这两种选项都可以在模拟域或数字域中执行。除了查看时间域以外，也能够查看(短时间区间的)频率域，并且在此将阈值设定在不同幅度水平处，或者使用FFT的不同分辨带宽。
因此，可以在数据处理的每个阶段处操纵基于至少一次自混合干涉测量而确定的所述测量结果，以便根据一个测量结果来生成第一颗粒尺寸分布函数和第二颗粒尺寸分布函数。可以以如下方式操纵或过滤基于一次自混合干涉测量而确定的所述测量结果：具有低于预定颗粒尺寸阈值的颗粒尺寸的颗粒并不贡献于所述第一颗粒尺寸分布函数或所述第二颗粒尺寸分布函数。
在备选方法中，所述激光传感器模块可以被布置为以所述第一灵敏度来执行第一自混合干涉测量。在这种情况下，所述激光传感器模块还被布置为以所述第二灵敏度来执行第二自混合干涉测量。所述至少一个评价器适于借助于基于所述第一自混合干涉测量而确定的第一测量结果来确定所述第一颗粒尺寸分布函数，所述至少一个评价器还可以适于借助于基于所述第二自混合干涉测量而确定的第二测量结果来确定所述第二颗粒尺寸分布函数。所述第一自混合干涉测量可以借助于与所述第二自混合干涉测量不同的测量参数(不同的灵敏度)来执行，使得所述第一颗粒尺寸分布函数或所述第二颗粒尺寸分布函数并不示出与小于预定的检测阈值的颗粒有关的任何测量信号。备选地，可以如上文所描述地操纵或过滤基于第一自混合干涉测量或第二自混合干涉测量的所述测量结果。
所述激光传感器模块可以包括用于对所述激光进行聚焦的光学设备，所述光学设备由至少0.06、更优选至少0.2、最优选至少0.3的数值孔径来表征。所述光学设备可以包括一个或多个光学元件，如一个或多个透镜。
实验已经表明，所述数值孔径能够被用于增大关于小的、尤其是超细的颗粒的灵敏度。0.06的数值孔径可以实现对小于300nm的颗粒的检测。0.2的数值孔径可以实现对小于200nm的颗粒的检测。0.3或更大的数值孔径可以实现对小于100nm的颗粒的检测。光学设备的数值孔径越高，可以检测到的颗粒越小。因此，有益的是，在上文或下文的实施例中的一个实施例中所描述的激光传感器模块的光学***或设备具有高的数值孔径。
所述激光传感器模块还可以包括光学重定向设备，所述光学重定向设备被布置为移动激光的聚焦区域。所述激光传感器模块还可以包括至少一个控制器，所述至少一个控制器适于在所述第一自混合干涉测量期间以第一速度控制所述聚焦区域的移动，并且在所述第二自混合干涉测量期间以不同于所述第一速度的第二速度来控制所述聚焦区域的移动。所述自混合干涉信号的信号强度取决于颗粒的尺寸以及激光照射相应颗粒的时间。所述聚焦区域的移动越快，所述信号强度越低。这意指，如果聚焦区域的移动的速度高于预定义的阈值，则不能检测到具有例如100nm的尺寸的颗粒。在这种情况下，不能够区分测量信号与噪声。因此，如果第二速度将比第一速度快，则第二灵敏度将是较低的。在这种情况下，校准因子q将大于1。因此，如果第二速度比第一速度慢，则校准因子q将小于1。所述光学重定向设备可以是适合于通过移动所述聚焦区域来增大检测体积的光学设备。所述移动可以是连续的，也可以是不连续的(逐步的)。所述光学重定向设备例如可以是可移动反射镜，如MEMS反射镜、电流计式反射镜等。所述控制器可以是能够被用于控制光学重定向设备以便移动聚焦区域的任何种类的处理器、微处理器或ASIC。所述控制器可以与电驱动器组合。
具有光学重定向设备的所述激光传感器模块也可以被用于仅执行一次自混合干涉测量，以便如上文所描述地确定所述颗粒度量。所述聚焦区域的移动可以被用于模拟定义的颗粒流动。
备选地，所述激光传感器模块可以包括至少一个颗粒流动控制设备，所述至少一个颗粒流动控制设备被布置为控制颗粒流动的速度。所述激光传感器模块还包括至少一个流动控制器，所述至少一个流动控制器适于借助于颗粒流动控制设备在所述第一自混合干涉测量期间以第一颗粒流动速度控制所述颗粒流动的速度，并且在所述第二自混合干涉测量期间以不同于所述第一颗粒流动速度的第二颗粒流动速度控制所述颗粒流动的速度。
所述颗粒流动控制设备例如可以是风扇或加热器，其被布置为提供定义的速度的颗粒流动。所述颗粒可以由流体来承载。所述颗粒流动的速度可以借助于所述流体的速度来确定。所述流动控制器可以是能够被用于控制颗粒流动控制设备的任何种类的处理器、微处理器或ASIC。所述流动控制器可以与电驱动器组合。所述流动控制器可以被布置为借助于颗粒流动控制设备在两个、三个、四个或更多个离散步幅中或者以连续的方式来控制颗粒流动的速度。所述颗粒流动的不同速度可以被用于如上文所描述地控制所述激光传感器模块的灵敏度。此外，所述颗粒流动的较高速度增大了在预定义的时间段内检测到的颗粒的数量。所述校准因子q随着检测到的颗粒的数量增大而增大(在q>1的情况下)。所述颗粒流动的速度(或者备选地，借助于如上所讨论的重定向设备对聚焦区域的移动的速度)因此可以被用于通过减小q因子的影响来增大激光传感器模块的鲁棒性。可以借助于评价器的SNR、发射激光的功率、检测器的灵敏度、光学设备的数值孔径等来调整总体灵敏度，以便确定300nm或更小的颗粒尺寸的颗粒度量。
在额外的或备选的实施例中，所述至少一个电驱动器可以适于在所述第一自混合干涉测量期间以第一激光功率来驱动所述至少一个激光器，并且在所述第二自混合干涉测量期间以不同于所述第一激光功率的第二激光功率来驱动所述至少一个激光器。还能够借助于由至少一个激光器发射的光学功率来调整所述激光传感器模块的灵敏度。如果所述第二激光功率小于所述第一激光功率，则所述第二自混合干涉测量较不灵敏。在这种情况下，所述校准因子q将大于1。如果所述第二激光功率大于所述第一激光功率，则所述校准因子q将小于1。该技术手段能够与上文和下文所描述的每种其他技术手段进行组合。
备选地或额外地，所述激光传感器模块可以包括至少一个可切换光学衰减器。所述至少一个可切换光学衰减器可以适于在所述第一自混合干涉测量期间对所述激光或反射激光提供第一光学衰减，并且在所述第二自混合干涉测量期间对所述激光或反射激光提供第二光学衰减，所述第二光学衰减不同于所述第一光学衰减。所述第二自混合干涉测量类似于以下情况：如果所述第二光学衰减高于所述第一光学衰减，则产生较低的激光功率和较小的灵敏度。在这种情况下，所述校准因子q将大于1。如果所述第二光学衰减小于所述第一光学衰减，则所述校准因子q将小于1。所述可切换光学衰减器可以被布置为以不连续的方式(例如，两个不同的衰减水平)或者以连续的方式对由至少一个激光器发射的激光进行衰减。可以借助于至少一个电驱动器或者由包括相应的处理器、微处理器或ASIC的单独的衰减控制器来控制所述可切换光学衰减器。
备选地或额外地，所述激光传感器模块可以包括至少一个可切换光学设备。所述至少一个可切换光学设备可以适于在所述第一自混合干涉测量期间提供第一数值孔径，并且在所述第二自混合干涉测量期间提供第二数值孔径，所述第二数值孔径不同于所述第一数值孔径。在这种情况下，如果所述第二数值孔径小于所述第一数值孔径，则所述第二自混合干涉测量将较不灵敏。在这种情况下，所述校准因子q将大于1。如果所述第二数值孔径高于所述第一数值孔径，则所述校准因子q将小于1。所述可切换光学设备可以被布置为以不连续的方式(例如，两个不同的数值孔径)或者以连续的方式来改变所述数值孔径。可以借助于至少一个电驱动器或者由包括相应的处理器、微处理器或ASIC的单独的数值孔径控制器来控制所述可切换光学设备。所述可切换光学设备例如可以是可切换孔径，如可变光圈。
所述至少一个检测器可以适于在所述第一自混合干涉测量期间提供第一检测阈值，并且在所述第二自混合干涉测量期间提供第二检测阈值，所述第二检测阈值不同于所述第一检测阈值。在这种情况下，如果所述第二检测阈值高于所述第一检测阈值，则第二自混合干涉测量将较不灵敏。在这种情况下，所述校准因子q将大于1。如果所述第二检测阈值小于所述第一数值孔径，则所述校准因子q将小于1。所述检测器可以以不连续的方式或者以连续的方式来改变所述检测阈值。可以借助于所述至少一个电驱动器或者由包括相应的处理器或微处理器或ASIC的单独的检测器控制器来控制所述检测器。例如，可以通过使用两种不同的检测原理来改变所述检测阈值。在这种情况下，所述检测器例如可以包括光电二极管并且额外地还包括检测电路，所述光电二极管用于测量一个或多个激光腔内的光波的变化，所述检测电路适于测量跨一个或多个激光腔的电阻。
在备选实施例中，所述激光传感器模块可以包括：
-至少第一激光器，其适于对由所述至少一个电驱动器提供的第一信号做出反应而将第一激光发射到第一聚焦区域，
-至少第二激光器，其适于对由所述至少一个电驱动器提供的第二信号做出反应而将第二激光发射到第二聚焦区域，
-至少一个检测器，其适于确定所述第一自混合干涉信号和所述第二自混合干涉信号，
-至少一个光学设备，其中，所述第一激光和所述第二激光被发射通过所述至少一个光学设备，使得所述第一聚焦区域中的所述第一激光的像差水平不同于所述第二聚焦区域中的所述第二激光的像差水平。
可以通过一个光学设备来发射所述第一激光和所述第二激光，其中，在所述光学设备的光轴上发射所述第一激光，并且其中，平行于所述光轴(例如，距轴40μm)发射所述第二激光。所述第一聚焦区域中的第一激光的像差水平可以接近于零，使得实现相对于超细颗粒的检测的最高灵敏度。离轴地发射的第二激光的像差水平是不同的，使得相对于超细颗粒的检测的灵敏度降低。这种布置可以实现接近于一的校准因子q。由非最优校准因子q引起的***误差的可能性可以降低。在轴上发射第一激光不是强制性的。取决于至少一个光学设备的配置，可以离轴地发射第一激光和第二激光两者。备选地，所述第一激光和所述第二激光也能够包围一定角度，以便提供具有不同像差水平的聚焦区域。可以存在两个光学设备，对于由所述第一激光和所述第二激光发射的每个激光束有一个光学设备。可以存在针对每个激光器的一个共同的检测器(例如，光电二极管)或者两个单独的检测器(例如，光电二极管)。
在备选实施例中，所述激光传感器模块可以包括：
-至少第一激光器，其适于对由所述至少一个电驱动器提供的第一信号做出反应而将第一激光发射到第一聚焦区域，
-至少第一检测器，其适于确定所述第一自混合干涉信号，
-至少第二激光器，其适于对由所述至少一个电驱动器提供的第二信号做出反应而将第二激光发射到第二聚焦区域，
-至少第二检测器，其适于确定所述第二自混合干涉信号。
如上文所描述的，但是利用静态设备或元件，能够调整第一激光器/检测器布置和第二激光器/检测器布置相对于小的、尤其是超细颗粒的灵敏度。激光功率、光学衰减、数值孔径、检测器的灵敏度、应用于测量信号的阈值等可以是不同的，但是固定的(例如，两个不同的水平)。可以存在用于驱动两个激光器的一个电驱动器或者两个独立的电驱动器。任选地，激光器中的每个激光器可以与可切换反射镜进行组合，以便以不同的速度移动相应的聚焦区域。借助于校准流程来确定所述校准因子q，以便基本上消除与具有高于预定义的颗粒尺寸阈值的颗粒尺寸的颗粒有关的信号。所述第一激光器例如可以被光学地耦合到具有第一数值孔径的第一光学设备。所述第二激光器例如可以被光学地耦合到具有不同于第一数值孔径的第二数值孔径的第二光学设备。如上文所描述的，取决于第一数值孔径与第二数值孔径之间的关系，所述校准因子q可以大于1或小于1。所述至少一个第一激光器和所述至少一个第二激光器可以是单个激光器或者包括两个、三个、四个或更多个激光器的激光器阵列。
除了用于确定自混合干涉信号的自混合激光传感器以外，所述激光传感器模块可以包括颗粒检测单元。所述颗粒检测单元可以适于确定所述第二颗粒尺寸分布函数。所述颗粒检测单元可以被布置为借助于光源(例如，LED)和光检测器来确定所述第二颗粒尺寸分布函数。所述光检测器可以被布置为确定由光源发射的光以及由颗粒散射的光，或者备选地被布置为确定由光源发射的光的强度的减小，所述光的强度的减小可能是由颗粒经过所述光源与所述光检测器之间的检测体积所引起的。所述颗粒检测单元可以相对于小的、尤其是超细颗粒较不灵敏。因此，所述校准因子q通常将大于1。
一种空气净化器、传感器箱或可穿戴设备，其包括根据如上文所描述的任何实施例所述的激光传感器模块。所述传感器箱可以是如上文所描述的颗粒传感器或者包括若干互不相同的传感器模块或传感器的设备。所述可穿戴设备例如可以是移动通信设备，如智能电话。
根据第二方面，提供了一种用于检测超细颗粒的方法，所述超细颗粒具有300nm或更小、更优选200nm或更小、最优选100nm或更小的颗粒尺寸。所述方法包括以下步骤：
-将激光发射到至少一个聚焦区域，
-确定至少一个自混合干涉信号，
-借助于基于至少一次自混合干涉测量而确定的至少一个测量结果来确定具有第一灵敏度的第一颗粒尺寸分布函数，
-确定具有第二灵敏度的第二颗粒尺寸分布函数，所述第二灵敏度不同于所述第一灵敏度，其中，所述第一灵敏度或所述第二灵敏度被选取为使得小于300nm或更小的定义的阈值颗粒尺寸的颗粒不被检测到，其中，所述第一颗粒尺寸分布函数和所述第二颗粒尺寸分布函数在利用校准因子q缩放的所述定义的阈值颗粒尺寸之上具有基本相同的形状，
-通过从所述第一颗粒尺寸分布函数中减去与校准因子q相乘的所述第二颗粒尺寸分布函数来确定300nm或更小的颗粒尺寸的颗粒度量。
在上文所描述的序列中不是必须执行所述方法的步骤。
所述方法可以包括以下的额外步骤：
-将第一阈值应用于基于所述至少一次自混合干涉测量而确定的测量结果，以便确定所述第一颗粒尺寸分布函数，
-将第二阈值应用于基于所述至少一次自混合干涉测量而确定的所述测量结果，以便确定所述第二颗粒尺寸分布函数，所述第二阈值不同于所述第一阈值。
根据第三方面，提出了一种计算机程序产品。所述计算机程序产品包括代码单元，所述代码单元能够被保存在根据权利要求1至11中的任一项所述的激光传感器模块的至少一个存储器设备上，或者被保存在包括所述激光传感器模块的设备的至少一个存储器设备上。所述代码单元被布置为使得能够借助于根据权利要求1至11中的任一项所述的激光传感器模块的至少一个处理设备或者借助于包括所述激光传感器模块的所述设备的至少一个处理设备来运行根据权利要求13或14所述的方法。
所述激光传感器模块(例如，电驱动器、评价器等)或者包括所述激光传感器模块的所述设备可以包括所述存储器设备或所述处理设备。包括所述激光传感器模块的所述设备的第一存储器设备和/或第一处理设备可以与所述激光传感器模块包括的第二存储器设备和/或第二处理设备进行交互。
一个或多个存储器设备可以是被布置为存储信息、尤其是数字信息的任何物理设备。尤其地，可以从固态存储器或光学存储器的组中选择存储器设备。
一个或多个处理设备可以是被布置为执行数据处理、尤其对数字数据的处理的任何物理设备。尤其地，可以从处理器、微处理器或专用集成电路(ASIC)的组中选择处理设备。
应当理解，根据权利要求1至11中的任一项所述的激光传感器模块以及根据权利要求13或14所述的方法具有相似和/或相同的实施例，特别是如在从属权利要求中所定义的那些。
应当理解，本发明的优选实施例也能够是从属权利要求与相应的独立权利要求的任意组合。
下文中定义了另外的有利实施例。
参考下文描述的实施例，本发明的这些方面和其他方面将是明显的并且得到阐明。
附图说明
在附图中：
图1示出了第一激光传感器模块的原理概述。
图2示出了检测算法的原理概述。
图3示出了第一曲线图，所述第一曲线图示出了作为颗粒尺寸的函数的检测到的颗粒数量。
图4示出了激光传感器模块和对应方法的实施例的第一灵敏度曲线。
图5示出了激光传感器模块和对应方法的实施例的第二灵敏度曲线。
图6示出了测量表达数据与模拟数据的第一比较。
图7示出了测量表达数据与专业仪器的比较的第二比较。
图8示出了第二激光传感器模块的原理概述。
图9示出了第二曲线图，所述第二曲线图示出了作为颗粒尺寸的函数的检测到的颗粒数量。
图10示出了第三激光传感器模块的原理概述。
图11示出了第四激光传感器模块的原理概述。
图12示出了第五激光传感器模块的原理概述。
图13示出了激光传感器模块的实施例的第三灵敏度曲线。
图14示出了取决于像差水平的灵敏度。
图15示出了第六激光传感器模块的原理概述。
图16示出了第七激光传感器模块的原理概述。
图17示出了空气净化器的原理概述。
图18示出了检测超细颗粒的方法的原理概述。
在附图中，相同的附图标记通篇指代相同的对象。附图中的对象不一定是按比例绘制的。
附图标记列表
100 激光传感器模块
110 激光
111 第一激光器
112 第二激光器
115 光源
120 检测器
121 第一检测器
122 第二检测器
125 光检测器
130 电驱动器
140 评价器
150 光学设备
151 第一光学设备
152 第二光学设备
155 光学衰减器
157 可切换光学设备
160 控制器
170 可移动反射镜
210 接收自混合干涉信号
220 自混合干涉信号的数字化
230 确定检测阈值
244 在第一阈值处进行确定
248 在第二阈值处进行确定
250 确定超细颗粒的数量
301 检测到的颗粒(数量/μg/m3)
302 颗粒尺寸(μm)
303 颗粒计数率(#/数量/(μg/m3))
305 检测到的颗粒的数量
306 检测到的颗粒的数量
307 超细颗粒的数量
308 超细颗粒的数量
310 检测到的颗粒的数量
311 检测到的颗粒的数量
312 检测到的颗粒的数量
315 超细颗粒的数量
316 超细颗粒的数量
317 模拟数据
318 实验数据
320 PM 2.5(μg/m3)
321 颗粒计数(数量/s)
330 测量数据
335 拟合
340 90％CI
350 90％PI
365 第一像差水平
366 第二像差水平
367 第三像差水平
400 空气净化器
410 颗粒流动控制设备
420 过滤器***
510 发射激光
520 确定自混合干涉信号
530 确定第一颗粒尺寸分布函数
540 确定第二颗粒尺寸分布函数
550 确定小颗粒的数量
具体实施方式
现在将借助于附图来描述本发明的各种实施例。
自混合干涉被用于检测对象的移动以及到对象的距离。Giuliani,G.、Norgia,M.、Donati,S.和Bosch,T.在Laser diode self-mixing technique for sensingapplications，Journal of Optics A:Pure and Applied Optics，2002年，第4期，第283-294页上的“Laser diode self-mixing technique for sensing applications”一文中描述了关于自混合干涉的背景信息，在此通过引用将其并入本文。在国际专利申请No.WO 02/37410中详细描述了对指尖相对于光学输入设备中的传感器的移动的检测。通过引用将关于国际专利申请No.WO 02/37410中对距离和移动的检测的公开内容并入本文。
自混合干涉的原理是基于国际专利申请No.WO 02/37410中提出的范例来讨论的。具有激光腔的二极管激光器被提供用于发射激光或者测量光束。在激光器的上侧，所述设备被提供有透明窗口，对象(例如，人类手指)跨所述透明窗口移动。透镜(例如，平凸透镜)被布置在二极管激光器与窗口之间。该透镜将激光束聚焦在透明窗口的上侧处或上侧附近。如果对象出现在该位置处，则所述对象散射测量光束。测量光束的辐射的部分被散射在照射光束的方向上，并且该部分会被透镜会聚在激光器二极管的发射表面上，并且重新进入该激光器的腔。辐射重新进入二极管激光器的腔诱发激光器的增益变化，并且因此引发由激光器发射的辐射强度变化，并且这种现象被称为二极管激光器中的自混合效应。
由激光器发射的辐射的强度变化能够被光电二极管检测到，所述光电二极管就是为此目的而提供的，所述二极管将辐射变化转换成电信号，并且电子电路被提供用于处理该电信号。
所述对象相对于测量光束的移动使反射的辐射由此经受多普勒频移。这意指该辐射的频率改变或者发生频移。该频移取决于对象移动的速度并且处于数kHz至数MHz的量级。经频移的辐射重新进入激光腔与光波或在该腔中生成的辐射发生干涉，即，在该腔中发生自混合效应。取决于光波与重新进入腔的辐射之间的相移，所述干涉将是相长的或相消的，即，激光辐射的强度周期性地增大或减小。以这种方式生成的激光辐射调制的频率确切地等于腔中的光波的频率与重新进入腔的多普勒频移辐射的频率之差。频率差处于数kHz至数MHz的量级，并且因此容易检测。自混合效应与多普勒频移的组合引起激光腔的行为变化；尤其是激光腔的增益或光放大变化。例如，可以测量激光腔的阻抗或者由激光器发射的辐射强度，并且不仅能够评价对象相对于传感器的移动量(即，行进的距离)，而且还能够确定移动的方向，如在国际专利申请No.WO 02/37410中详细描述的。
在颗粒检测的情况下，所述自混合干涉信号例如可以被表征为短信号猝发或多个信号猝发。因此，优选可以使用DC驱动电流以便简化信号检测和信号分析。备选地或额外地，例如借助于自混合干涉信号，可以使用经调制的驱动电流来确定颗粒的位置和/或速度，所述自混合干涉信号可以如上文所描述地由更大颗粒处的激光的反射来生成的。可以在一次测量内或者在后续的测量步骤中确定距离和/或速度。因此，可能或者甚至有益的是，在第一时间段中使用DC驱动电流以生成想要的颗粒尺寸的颗粒度量并且使用经调制的驱动电流以便确定颗粒流动的距离和/或速度。
图1示出了第一激光传感器模块100的原理概述。所述第一激光传感器模块包括具有集成的检测器120的激光器110。集成的检测器120是作为激光器110的层结构的部分的集成的光电二极管。所述集成的光电二极管确定激光器110的激光腔内的光波的振荡。第一激光传感器模块100还包括电驱动器130和评价器140。评价器140被连接到激光器110，或者更精确地被连接到检测器120和电驱动器130。电驱动器130向激光器110供应电力以便发射激光。激光器110在这种情况下为具有集成的光电二极管的垂直腔面发射激光器(VCSEL)。激光传感器模块110被连接至电源(未示出)，所述电源提供电力，所述电力为DC或者是借助于电驱动器130而被调制或供应的。电驱动器130被布置为向激光器110提供不同的调制方案。如果由激光器110发射的激光被经过激光的聚焦区域的颗粒反射，则生成自混合干涉信号。所述颗粒优选以基本上恒定的流动速度移动。所定义的流动可以由加热元件(未示出)或风扇(未示出)来生成，所述加热元件被布置为对承载颗粒的流体(在该情况下为空气)进行加热。所述加热元件或风扇以及对应的流体通道(未示出)可以是包括第一激光传感器模块100的颗粒传感器(未示出)的部分，或者是包括激光传感器模块100的设备的部分。箭头指示颗粒的移动或流动的方向。流动速度可以是预定的，或者可以是借助于单独的流动传感器(未示出)或借助于对应的自混合干涉测量流程来测量的，所述对应的自混合干涉测量流程是借助于如上文所描述的激光传感器模块100来执行的。可以借助于评价器140使用所述流动速度以便确定例如颗粒密度。在这种情况下，评价器140被布置为向自混合干涉信号供应不同的信噪比，所述自混合干涉信号是借助于在预定时间段内由多个颗粒反射的激光来生成的。
图2示出了对应的检测算法的原理概述。在步骤210中，借助于检测器120，基于激光器110的激光腔中的光波的变化来生成自混合干涉信号。在步骤220中，对所述自混合干涉信号进行数字化，并且在步骤230中，借助于评价器140来确定两个不同的检测阈值。所述检测阈值对应于两个不同的信噪比，其中，信噪比中的第二信噪比(对应于第二阈值)被确定为使得具有例如小于150nm的颗粒尺寸的颗粒不生成自混合干涉信号，能够借助于评价器140将所述自混合干涉信号与背景噪声进行区分。在步骤244中，借助于评价器140来处理所述自混合干涉信号，以便确定在第一阈值处的颗粒数量或者更确切地为第一颗粒分布函数。在步骤248中，借助于评价器140来进一步处理相同的自混合干涉信号，以便确定在第二阈值处的颗粒数量或者更精确地为第二颗粒分布函数。在步骤250中，将第二颗粒分布函数与校准因子q相乘并且将其从第一颗粒分布函数中减去，以便确定在参考体积(例如，m3)内的针对具有小于150nm的颗粒尺寸的超细颗粒的数量的度量。
图3示出了第一曲线图，所述第一曲线图示出了借助于激光传感器模块110生成的测量结果。横坐标302示出了借助于颗粒的直径(μm)所确定的颗粒尺寸。纵坐标301示出了以每μg/m3计数的检测到的颗粒的数量。曲线305、306示出了作为颗粒尺寸的函数的检测到的颗粒数量。曲线305、306两者是利用0.5的数值孔径测量的。第一曲线305是利用25的信噪比测量的。第二曲线306是利用6的信噪比(SNR)测量的。除了最小的颗粒尺寸以外，两条曲线基本上都示出了相同的形状。针对这些颗粒不再会达到25的SNR值，而对于对应于SNR＝6的检测阈值，这些小颗粒仍然被观测到。因此，通过从具有SNR＝6的曲线中减去具有SNR＝25的曲线的q倍，获得了在图4中的第一灵敏度曲线307。对于这种情形，所述校准因子为q＝6.5。第一灵敏度曲线307示出了能够消除略微高于100nm的信号，并且能够确定具有小于100nm的颗粒尺寸的超细颗粒的数量或质量浓度。已经针对7m/s的聚焦区域或颗粒流动的速度执行了对检测到的颗粒的数量的计算。
图5示出了激光传感器模块100和对应方法的实施例的第二灵敏度曲线。激光传感器模块100被优化，以便检测具有50nm的尺寸的颗粒。当前经验是，对于测量作为颗粒尺寸的函数的颗粒计数的激光传感器模块100，获得了与模型的良好的相关性。此外，在借助于自混合干涉信号测量的颗粒计数与借助于专业仪器(Grimm 11-R)确定的颗粒浓度之间示出了良好的相关性。在该实施例中，所述数值孔径(NA)已经被放大为NA＝0.6，并且测量速度为1m/s，以便得到针对具有50nm左右的颗粒尺寸的颗粒的良好的灵敏度。在这种情况下，如在图4所示的并且如上文所讨论的，以相同的方式使用SNR 24和SNR 6。在这种情况下，所述校准因子q为6.2。
图6中所示的曲线图以线318示出了由具有相对小的NA(NA＝0.1)的SMI设备作为颗粒尺寸的函数的测量到的每ug/m3获得的计数数量。测量结果局限于大于300nm的颗粒尺寸，这是因为受到这种低NA的限制并且受到专业设备(250nm左右)的限制。线317示出了通过应用上文和下文所描述的方法获得的模拟数据。同样地，在这些模型计算中，使用了0.1的数值孔径。测量数据与模拟数据的比较示出了针对模型和实验的作为颗粒尺寸的函数的行为的良好匹配。
图7示出了借助于专业仪器确定的并且使用具有NA＝0.1的SMI设备在相同时间处测量的测量数据330的相关性标绘图。纵坐标320示出了借助于专业仪器确定的以μg/m3为单位的PM 2.5值，并且横坐标312示出了借助于激光传感器模块100确定的颗粒计数率(#/s)。这种拟合能够由以下线性方程来描述：
PM 2.5＝26.07*(颗粒计数率)–0.12106。
观测到这两种测量方法之间的极好的相关性。两条90％的CI线340示出了拟合数据的具有90％的确定性的区间。两条90％的PI线350示出了个体测量线的具有90％的确定性的区间。这种极好的相关性还证实了对与如上文和下文所论述的较大颗粒的检测有关的信号的消除的鲁棒性。图6和图7还示出了激光传感器模块100和对应方法也能够用于检测具有大于300nm的尺寸的颗粒。激光传感器模块100因此也可以被用于确定体积内的具有小于2500nm(2.5μm)、1500nm(1.5μm)或1000nm(1μm)的尺寸的小颗粒或者更精确为小颗粒的浓度。
图8示出了第二激光传感器模块100的原理概述。所述第二激光传感器模块包括具有集成的检测器120的激光器110。集成的检测器120是作为激光器110的层结构的部分的集成的光电二极管。第二激光传感器模块100还包括电驱动器130、评价器140以及光学设备150。评价器140被连接到激光器110，或者更精确地被连接到检测器120和电驱动器130。电驱动器130向第一激光器110供应电力以便发射激光。激光器110在这种情况下为具有集成的光电二极管的垂直腔面发射激光器(VCSEL)。激光传感器模块110被连接到电源(未示出)，所述电源提供电力，所述电力借助于电驱动器130而被调制或供应。光学设备150被布置为提供0.6的高数值孔径(NA)，以便使得能够如相对于图5所讨论地测量具有50nm左右的颗粒直径的超细颗粒。在这种情况下，电驱动器130还适于向激光器110提供至少两个不同的功率水平。因此，还能够基于第一自混合干涉信号来确定在第一激光功率处的第一颗粒尺寸分布函数，并且可以基于第二自混合干涉信号来测量在不同的第二激光功率处的第二颗粒尺寸分布函数。评价器140适于确定在存储器设备中的对应的校准因子q，以便如上文所讨论地基于第一颗粒尺寸分布函数和第二颗粒尺寸分布函数来计算颗粒度量。
图9示出了类似于图3的第二曲线图，其示出了作为颗粒尺寸的函数的对颗粒的模型计算。曲线310、311、312示出了借助于具有如在图11中所描绘的可移动反射镜170的激光传感器模块100而生成的测量结果。所述可移动反射镜被布置为使得激光器110发射的激光的聚焦区域以7m/s的速度移动。备选地，例如借助于风扇以相同的速度提供流体流动。曲线310示出了借助于具有0.1的数值孔径的光学设备150生成的颗粒尺寸分布函数。曲线311示出了借助于具有0.3的数值孔径的光学设备150生成的颗粒尺寸分布函数。曲线312示出了借助于具有0.5的数值孔径的光学设备150生成的颗粒尺寸分布函数。曲线310、311、312示出了相对于较小的颗粒的灵敏度随着增大的数值孔径而增大。所述数值孔径不仅仅是能够被调整以便增大尤其是针对超细颗粒的灵敏度的参数。流动(或者备选地，借助于可移动反射镜170对聚焦区域的移动)的速度是另外的参数，以便通过使用关于以上的图5所讨论的例如1m/s的相对缓慢的速度来增大灵敏度。
图10示出了第三激光传感器模块100的原理概述。第三激光传感器模块100非常类似于第二激光传感器模块100。第三激光传感器模块100额外地包括可切换光学衰减器155。可切换光学衰减器155对在第一自混合干涉信号的生成期间由激光器110发射的激光提供第一光学衰减，并且对在第二自混合干涉信号的生成期间提供第二光学衰减。在这种情况下，激光传感器模块100被布置为通过从借助于所述第一自混合干涉信号确定的第一颗粒尺寸分布函数中减去与校准因子q相乘的、借助于所述第二自混合干涉信号确定的第二颗粒尺寸分布函数来确定在小于200nm的颗粒尺寸的情况下的颗粒的颗粒度量。在这种情况下，所述第一光学衰减高于所述第二光学衰减，使得所述校准因子q小于1。
图11示出了第四激光传感器模块100的原理概述。所述第四激光传感器模块包括具有集成的检测器120的激光器110。第四激光传感器模块100还包括电驱动器130、评价器140、可切换光学设备157、被布置为可移动反射镜170的光学重定向设备以及用于控制可移动反射镜170的控制器160。评价器140被连接至检测器120、电驱动器130和控制器160。电驱动器130向激光器110供应电力以发射激光。评价器140接收由检测器120提供的电信号，所述电信号是由借助于检测器120确定的激光器110的激光腔中的自混合干涉所引起的。评价器140还接收来自电驱动器130和控制器160的信息，以便解读由第一检测器120测量的自混合干涉信号。由电驱动器130提供的信息可以包括关于被提供给激光器110的驱动方案的信息。由控制器160提供的信息可以包括角速度、反射镜移动的幅度、反射镜移动的相位，任选地还有在不同角度处的保持时间等。借助于该信息来启用评价器140，以根据例如可移动反射镜170的速度或更确切为角速度来确定颗粒尺寸分布函数。借助于集成的透镜(结合到激光器110的微透镜)将由激光器110发射的激光聚焦到聚焦区域，所述聚焦区域在可移动反射镜170的振荡期间沿着扫描方向移动。能够在聚焦区域附近的范围内检测到颗粒。
针对较大速度的可移动反射镜170，SNR减小，使得能够借助于可移动反射镜170的速度使激光传感器模块的灵敏度变化。此外，可切换光学设备157能够被用于操纵或改变第四激光传感器模块的数值孔径。另外，能够在不同的检测时段内借助于电驱动器130来改变激光器110的激光功率。因此，除了能够借助于评价器140执行的对自混合干涉测量的结果进行滤波的操纵之外，还能够借助于不同的硬件参数来对第四激光传感器模块100的灵敏度进行调谐。因此，能够在宽范围内使灵敏度和对应的颗粒尺寸分布函数变化。评价器140还包括至少一个存储器设备，所述至少一个存储器设备包括硬件参数(反射镜速度、数值孔径等)、由评价器140施加的评价参数(例如，SNR)和对应的校准因子q之间的关系。可以借助于功能依赖性或者在表格中存储所述关系。应当注意，由于检测体积增大，因此空气或流体速度越大，每秒检测到的颗粒越多。这有效地意指针对通过重定向设备或者通过外部风扇改变速度的方法在q>1(或者通常而言q更接近于1)的情况下以q因子的减少。以q因子的减小可以得到更鲁棒的***设计，因为可以减小校准因子q的***性影响。
图12示出了第五激光传感器模块100的原理概述。第五激光传感器模块100包括具有集成的第一检测器120的第一激光器111以及具有集成的第二检测器122的第二激光器112。第一激光器110和第二激光器111发射第一激光和第二激光。第五激光传感器模块100包括电驱动器130，所述电驱动器130适于将驱动电流提供给第一激光器111和第二激光器112。所述电驱动器包括评价器140，所述评价器140被连接至第一激光器110和第二激光器111。第五激光传感器模块100还包括具有第一数值孔径的第一光学设备151，所述第一光学设备151用于将第一激光聚焦到第一聚焦区域。第五激光传感器模块100还包括具有不同于第一数值孔径的第二数值孔径的第二光学设备152，所述第二光学设备152用于将第二激光聚焦到第二聚焦区域。在该实施例中，所述第一聚焦区域不与所述第二聚焦区域交叠，但是在另一实施例中，所述第一聚焦区域可能与所述第二聚焦区域交叠。评价器140接收由第一检测器121提供的电信号，所述电信号是由所述第一自混合干涉信号引起的。评价器140还接收由第二检测器122提供的电信号，所述电信号是由所述第二自混合干涉信号引起的。评价器140还接收来自电驱动器130的信息。借助于该信息来启用评价器140，以如上所述借助于经相应地调整的校准因子q来确定第一颗粒尺寸分布函数和第二颗粒尺寸分布函数以及对应的颗粒度量。
图13示出了借助于数值孔径的两个不同设置以及因此两个不同的自混合干涉信号生成激光传感器模块100的实施例的第三灵敏度曲线。在这种情况下，激光传感器模块100包括与相对于图11的上文所描述的类似的可移动反射镜170。已经执行了这两次模拟，使得所述聚焦区域以7m/s的速度移动。如果风扇与相对于图12所讨论的具有两个不同孔径的第五激光传感器模块100相组合地以对应的速度移动具有颗粒的流体，则能够使用类似的方法。在由曲线315示出的第一测量中，使用0.1的第一数值孔径和0.3的第二数值孔径。在这种情况下，校准因子q为0.32。在由曲线316示出的第二测量中，使用0.1的第一数值孔径和0.5的第二数值孔径。在这种情况下，校准因子q为0.2。参数的组合能够被用于得到与由专业仪器测量的结果的最佳匹配，所述专业仪器当前被用于测量较小的、尤其是超细颗粒或者用于针对感兴趣区域调谐检测到的UFP颗粒尺寸。
图14示出了根据对应的光学设备的像差的相对于颗粒检测的灵敏度。横坐标302示出了借助于颗粒的直径(μm)所确定的颗粒尺寸。纵坐标3031示出了每秒每(μg/m3)计数的检测到的颗粒的数量(#/s/(μg/m3))。曲线365、366和367示出了作为由一个或多个激光器发射的激光的斑点或焦点的像差水平的函数的计数率的模拟。以0.5的数值孔径和850nm的激光的发射波长来模拟全部三条曲线365、366和367。曲线365示出了在0mλ的像差水平处的模拟计数率。曲线366示出了在70mλ的像差水平处的模拟计数率。曲线367示出了在140mλ的像差水平处的模拟计数率。根据利用斑点像差对颗粒计数率的模型计算，明显的是，对于小颗粒(其被检测到非常接近于聚焦位置或区域)，检测到的颗粒的数量对于聚焦区域的像差水平非常灵敏。对于较大的颗粒(其被检测到在最优聚焦区域附近的大得多的区)，检测到的颗粒的数量很难随着像差水平而改变。比较图14与图3，示出了像差水平的变化的潜在优点，以便提供与相对于图3所讨论的方法相比在两次测量中的不同的灵敏度。较大的颗粒的计数率是大于0.15μm的颗粒尺寸，这是接近相同的。因此，q因子能够非常接近于1。这可以减少测量中的最终误差，其可能是由非最优q因子(例如，6而不是6.5的校正最优q因子)引起的。此外，使一个或多个光学设备调节聚焦区域中的像差水平，这也意指能够针对第一测量来优化聚焦区域或斑点的质量，所述第一测量基本上没有像差。这导致最小的可能的最小检测到的颗粒尺寸。使用不同的像差水平以便得到具有相对于超细颗粒的不同灵敏度的测量结果能够被用于具有静态聚焦区域的激光传感器模块(例如参见图1、图8和图10)以及具有动态或可移动聚焦区域的激光器模块(例如参见图11)。备选地，也能够使用两个激光器和具有不同像差水平的两个不同的光学设备(例如参见图12)，以便实现利用两个不同的灵敏度同时进行测量。关于以下实施例讨论了使用不同像差水平的若干具体实施例。
实施例1：LC单元
在第一实施例中，液晶单元(LC)被用于调节聚焦区域的像差水平。例如，在图10中，能够由该LC单元来替换光学衰减器155。LC单元是其中能够主动在聚焦区域或斑点中引入像差的设备，这是该方法所要求的。相同的LC单元能够被用于补偿或部分补偿来自光学***的其他像差。通过这样做，在第一测量处获得对超细颗粒计数率和最小检测到的颗粒尺寸上的最佳性能。
实施例2：旋转玻璃板
在第二实施例中，玻璃板的倾斜被用于改变所述像差水平。例如，图8中的盖玻片(未示出)能够被安装在光学设备150的测量路径中，使得其能够围绕基本上垂直于测量实体的光轴的轴进行旋转。这尤其将引入散光。同样地，相同的板能够被用于优化斑点的散光以使第一测量中的值最小化。
实施例3：移动/***玻璃板
在该实施例中，将所述光学***与例如在图8中的光学设备150之后***的玻璃板最优地对齐。移动所述玻璃板将引入针对第二测量的像差。所述光学***也能够在没有玻璃板的情况下得到优化，并且通过***玻璃板来引入像差。这些像差可以来自玻璃板本身的厚度(尤其是球面像差)，或者来自于玻璃板的倾斜的组合(主要得到球面像差与散光的组合)。
实施例4：可变形反射镜
可以由可变形反射镜在激光传感器模块中影响像差，所述可变形反射镜可以被***在测量光束的光学路径中。相同的反射镜也可以被用于使针对第一测量的像差最小化。
实施例5：具有移动透镜的两个透镜***：
图8中的光学设备150可以包括生成像差的两个透镜，当这两个透镜处在测量光束的光轴上时，所述像差彼此补偿。当一个透镜距离轴时，像差出现。例如，如果一个透镜离轴，则两个透镜在平行光束中具有球面像差(彗形像差)。
实施例6：具有移动透镜的单个透镜***
图8中的光学设备150或者图11中的可切换光学设备157可以包括具有针对光学领域的非最优设计的透镜，其借助于致动器(例如，音圈电动机)垂直于光轴进行移动。
实施例7：电润湿
图8中的光学设备150或者图11中的可切换光学设备157可以包括电润湿透镜。可以通过将电压置于电润湿透镜的一个或两个光学流体上来改变光束变形或者更确切地为像差。
实施例8：多个台面激光器
通过使用多个台面激光器来获得针对相对于图15所讨论的实施例的非常简洁的解决方案，图15示出了第六激光传感器模块的原理概述。该实施例非常类似于相对于图12所讨论的实施例。激光器芯片将具有在同一个芯片上的一个检测器120光电二极管的顶部上的两个独立的激光器111、112。将以这种方式完成光学对齐，以使第一激光111在轴上(最佳的信号)并且使第二激光112离轴例如40μm。第二激光束将由于像差而得到较大的斑点尺寸，并且因此将得到有限的能力来测量小颗粒。将在时间切换模式中借助于电驱动器130来操作两束激光。第一最优对齐的激光提供第一测量，并且第二激光提供第二测量。
实施例9：平行操作的多个台面激光器
通过使用两个激光器111、112(每个激光器具有其自己的检测器121、122，如相对于图12所讨论的以及与此同时的检测电子器件，能够通过使用如相对于图12所讨论的第一光学设备151和第二光学设备152或者如相对于图15所讨论的一个光学设备150来同时执行第一测量和第二测量，以便生成在相应聚焦区域中具有不同像差的测量光束。
图16示出了第七激光传感器模块100的原理概述。第六激光传感器模块100包括具有集成的检测器120的激光器110，所述激光器110通过光学设备150发射激光，在这种情况下，所述光学设备150为透镜。集成的检测器120是作为激光器110的层结构的部分的集成的光电二极管。第六激光传感器模块100还包括具有光源(LED)115和光检测器125的颗粒检测单元，所述颗粒检测单元被布置为使得由LED发射的光被光检测器125接收到。光检测器125被布置为测量由颗粒经过LED与光检测器125之间的体积所引起的、由LED发射的光的强度的变化。第二激光传感器模块100还包括电驱动器130和评价器140。评价器140被连接至激光器110，或者更确切地被连接至检测器120、LED、光检测器125和电驱动器130。电驱动器130向激光器110供应电力以便发射激光并且向LED供应电力。激光器110在这种情况下为具有集成的光电二极管的垂直腔面发射激光器(VCSEL)。激光传感器模块110被连接至电源(未示出)，所述电源提供电力，所述电力借助于电驱动器130而被调制或供应。光学设备150被布置为提供0.06的高数值孔径(NA)，以便使得能够测量具有300nm左右的颗粒直径的小颗粒。检测器120被布置为确定自混合干涉信号，以便生成第一颗粒尺寸分布函数。所述颗粒检测单元较不灵敏，并且不被布置为确定具有300nm左右的尺寸的颗粒。因此，由光检测器125检测到的信号被用于确定第二颗粒尺寸分布函数。评价器140适于确定在存储器设备中的对应的校准因子q，以便如上文所讨论的基于第一颗粒尺寸分布函数和第二颗粒尺寸分布函数来计算具有300nm或更小的颗粒尺寸的颗粒的颗粒度量。针对颗粒检测单元的备选思想可以是将光检测器125置于90度下，使得仅检测来自颗粒的散射光而不是透射变化。与上文所讨论的透射配置相比，这样的布置的灵敏度增加。
图17示出了空气净化器400的原理概述。空气净化器400包括颗粒流动控制设备410(例如，风扇)、过滤器***420以及根据上述实施例中的任一个的激光传感器模块100。风扇和过滤器***420被布置在例如其中空气流动的管中。风扇使空气沿着管的轴加速，以便生成定义的流动或颗粒速度。激光传感器模块100确定想要的颗粒尺寸的颗粒度量并且任选地确定颗粒流动的速度。空气净化器400可以被集成在空调中。空调例如可以在颗粒度量高于阈值时提供信号。激光传感器模块100优选可以接收来自颗粒流动控制设备410的信息，以便对关于例如由颗粒流动控制设备410引起的空气或颗粒流的速度的测量结果进行校准。在这种情况下，可以借助于激光传感器模块100来控制颗粒流动控制设备410，以便实现两个或更多个流动颗粒速度。在这种情况下，激光传感器模块100包括流动控制器以控制颗粒流动控制设备410。备选地，空气净化器400可以包括处理器和对应的存储设备，以便接收来自颗粒流动控制设备410和激光传感器模块100的数据。箭头指示空气的方向。激光传感器模块100的测量结果可以被用于决定是否能够借助于对应的控制电路或者在空气净化器的处理器上运行的控制应用程序来在对空气进行时切换空气净化器。
图18示出了检测小的、尤其是超细颗粒的方法的原理概述。在步骤510中，将激光发射到至少一个聚焦区域。在步骤520中，确定至少一个自混合干涉信号。在步骤530中，借助于基于所述至少一次自混合干涉测量而确定的至少一个测量结果来确定具有第一灵敏度的第一颗粒尺寸分布函数。在步骤540中，确定具有第二灵敏度的第二颗粒尺寸分布函数。所述第二灵敏度不同于所述第一灵敏度。通过从所述第一颗粒尺寸分布函数减去与校准因子q相乘的所述第二颗粒尺寸分布函数来确定具有300nm或更小的颗粒尺寸的颗粒的颗粒度量。
本发明的基本思想是提供用于通过生成两个测量结果或者执行具有不同灵敏度的测量来感测具有小于300nm的颗粒尺寸的小颗粒的激光传感器模块100以及对应的方法，其中，小的颗粒或者甚至超细颗粒在特定尺寸方案中的颗粒度量是通过从灵敏模式中的颗粒数量减去q倍的非灵敏模式中的颗粒数量来导出的。在非灵敏模式中，较小的颗粒基本不可见，但是针对较大的颗粒的测量结果的形状是基本相同的，只是利用校准因子q来缩放。本发明实现了能够检测具有100nm或者甚至更小的尺寸的颗粒的、基于激光自混合干涉的简单并且低成本的颗粒检测模块或颗粒检测器。
尽管已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是图示性或示范性的，而非限制性的。
通过阅读本公开内容，本领域技术人员将想到其他修改。这样的修改可能涉及本领域中已知的其他特征，并且这些其他特征可以用于代替或额外于本文描述的特征。
本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求，在实践请求保护的发明时能够理解并实现对所公开的实施例的变型。在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。尽管某些措施被记载在互不相同的从属权利要求中，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。
权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。

Claims (21)

1.一种用于检测超细颗粒的激光传感器模块(100)，所述超细颗粒具有300nm或更小的颗粒尺寸，所述激光传感器模块(100)包括：
-至少一个激光器(110)，其适于对由至少一个电驱动器(130)提供的信号做出反应而将激光发射到至少一个聚焦区域，
-至少一个检测器(120)，其适于确定所述至少一个激光器(110)的激光腔内的光波的自混合干涉信号，其中，所述自混合干涉信号是由重新进入所述激光腔的反射激光引起的，所述反射激光是由接收所述激光的至少部分的颗粒反射的，
-所述激光传感器模块(100)被布置为执行至少一次自混合干涉测量，其特征在于：
-所述激光传感器模块(100)适于确定第一颗粒尺寸分布函数，其中，所述第一颗粒尺寸分布函数借助于基于所述至少一次自混合干涉测量而确定的至少一个测量结果由相对于颗粒尺寸检测的第一灵敏度来表征，所述激光传感器模块还适于确定第二颗粒尺寸分布函数，其中，所述第二颗粒尺寸分布函数由相对于颗粒尺寸检测的第二灵敏度来表征，所述第二灵敏度不同于所述第一灵敏度，其中，所述第一灵敏度或所述第二灵敏度被选取为使得小于定义的阈值颗粒尺寸的颗粒不被检测到，所述定义的阈值颗粒尺寸为300nm或更小，其中，所述第一颗粒尺寸分布函数和所述第二颗粒尺寸分布函数在利用校准因子q缩放的所述定义的阈值颗粒尺寸之上具有基本相同的形状，
-至少一个评价器(140)，其适于通过从所述第一颗粒尺寸分布函数中减去与所述校准因子q相乘的所述第二颗粒尺寸分布函数来确定300nm或更小的所述颗粒尺寸的颗粒度量。
2.根据权利要求1所述的激光传感器模块(100)，所述超细颗粒具有200nm或更小的颗粒尺寸。
3.根据权利要求1所述的激光传感器模块(100)，所述超细颗粒具有100nm或更小的颗粒尺寸。
4.根据权利要求1所述的激光传感器模块(100)，所述激光传感器模块适于借助于基于所述至少一次自混合干涉测量而确定的所述至少一个测量结果来确定所述第二颗粒尺寸分布函数。
5.根据权利要求4所述的激光传感器模块(100)：
-所述至少一个评价器(140)适于通过将第一阈值应用于基于所述至少一次自混合干涉测量而确定的测量结果来提供所述第一灵敏度，所述至少一个评价器(140)还适于借助于所述测量结果和所述第一阈值来确定所述第一颗粒尺寸分布函数，
-所述至少一个评价器(140)还适于通过将第二阈值应用于基于所述至少一次自混合干涉测量而确定的所述测量结果来提供所述第二灵敏度，所述第二阈值不同于所述第一阈值，所述至少一个评价器(140)还适于借助于所述测量结果和所述第二阈值来确定所述第二颗粒尺寸分布函数。
6.根据权利要求4所述的激光传感器模块(100)：
-所述激光传感器模块(100)被布置为以所述第一灵敏度来执行第一自混合干涉测量，
-所述激光传感器模块(100)还被布置为以所述第二灵敏度来执行第二自混合干涉测量，
-所述至少一个评价器(140)适于借助于基于所述第一自混合干涉测量而确定的第一测量结果来确定所述第一颗粒尺寸分布函数，所述至少一个评价器(140)还适于借助于基于所述第二自混合干涉测量而确定的第二测量结果来确定所述第二颗粒尺寸分布函数。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的激光传感器模块(100)，其中，所述激光传感器模块(100)包括用于将所述激光聚焦到所述至少一个聚焦区域的光学设备(150)，所述光学设备由至少0.06的数值孔径来表征。
8.根据权利要求7所述的激光传感器模块(100)，其中，所述光学设备由至少0.2的数值孔径来表征。
9.根据权利要求7所述的激光传感器模块(100)，其中，所述光学设备由至少0.3的数值孔径来表征。
10.根据权利要求6所述的激光传感器模块(100)，所述激光传感器模块(100)包括光学重定向设备(170)，所述光学重定向设备被布置为移动所述激光的所述聚焦区域，所述激光传感器模块(100)还包括至少一个控制器(160)，所述至少一个控制器适于在所述第一自混合干涉测量期间以第一速度控制所述聚焦区域的所述移动并且在所述第二自混合干涉测量期间以不同于所述第一速度的第二速度控制所述聚焦区域的所述移动。
11.根据权利要求6所述的激光传感器模块(100)，所述激光传感器模块(100)包括至少一个颗粒流动控制设备(410)，所述至少一个颗粒流动控制设备被布置为控制颗粒流动的速度，所述激光传感器模块(100)还包括至少一个流动控制器，所述至少一个流动控制器适于借助于颗粒流动控制设备(410)在所述第一自混合干涉测量期间以第一颗粒流动速度控制所述颗粒流动的所述速度并且在所述第二自混合干涉测量期间以不同于所述第一颗粒流动速度的第二颗粒流动速度控制所述颗粒流动的所述速度。
12.根据权利要求6所述的激光传感器模块(100)，所述激光传感器模块(100)包括：
-至少第一激光器(111)，其适于对由所述至少一个电驱动器(130)提供的第一信号做出反应而将第一激光发射到第一聚焦区域，
-至少第二激光器(112)，其适于对由所述至少一个电驱动器(130)提供的第二信号做出反应而将第二激光发射到第二聚焦区域，
-至少一个检测器(120、121、122)，其适于确定所述第一自混合干涉信号和所述第二自混合干涉信号，
-至少一个光学设备(150)，其中，所述第一激光和所述第二激光被发射通过所述至少一个光学设备(150)，使得所述第一聚焦区域中的所述第一激光的像差水平不同于所述第二聚焦区域中的所述第二激光的像差水平。
13.根据权利要求6所述的激光传感器模块(100)，所述激光传感器模块(100)包括：
-至少第一激光器(111)，其适于对由所述至少一个电驱动器(130)向所述第一激光器(111)提供的信号做出反应而将第一激光发射到第一聚焦区域，
-至少第一检测器(121)，其适于确定所述第一自混合干涉信号，
-至少第二激光器(112)，其适于对由所述至少一个电驱动器(130)向所述第二激光器(112)提供的信号做出反应而将第二激光发射到第二聚焦区域，
-至少第二检测器(122)，其适于确定所述第二自混合干涉信号。
14.根据权利要求13所述的激光传感器模块(100)，所述第一激光器(111)被光学地耦合到具有第一数值孔径的第一光学设备(151)，所述第二激光器(112)被光学地耦合到具有不同于所述第一数值孔径的第二数值孔径的第二光学设备(152)。
15.根据权利要求1所述的激光传感器模块(100)，所述激光传感器模块(100)包括颗粒检测单元，所述颗粒检测单元适于确定所述第二颗粒尺寸分布函数，其中，所述颗粒检测单元被布置为借助于光源和光检测器来确定所述第二颗粒尺寸分布函数，其中，所述光检测器被布置为确定由所述光源发射的以及由所述颗粒散射的光，或者备选地被布置为确定由颗粒经过所述光源与所述光检测器之间的检测体积所引起的、由所述光源发射的光的强度的减小。
16.一种空气净化器(400)、传感器箱或可穿戴设备，其包括根据前述权利要求中的任一项所述的激光传感器模块(100)。
17.一种检测超细颗粒的方法(200)，所述超细颗粒具有300nm或更小的颗粒尺寸，所述方法包括以下步骤：
-将激光发射到至少一个聚焦区域，
-确定至少一个自混合干涉信号，
其中，所述方法的特征在于以下步骤：
-确定第一颗粒尺寸分布函数，其中，所述第一颗粒尺寸分布函数借助于基于至少一次自混合干涉测量而确定的至少一个测量结果由第一灵敏度来表征，
-确定第二颗粒尺寸分布函数，其中，所述第二颗粒尺寸分布函数由第二灵敏度来表征，所述第二灵敏度不同于所述第一灵敏度，其中，所述第一灵敏度或所述第二灵敏度被选取为使得小于定义的阈值颗粒尺寸的颗粒不被检测到，所述定义的阈值颗粒尺寸为300nm或更小，其中，所述第一颗粒尺寸分布函数和所述第二颗粒尺寸分布函数在利用校准因子q缩放的所述定义的阈值颗粒尺寸之上具有基本相同的形状，
-通过从所述第一颗粒尺寸分布函数中减去与所述校准因子q相乘的所述第二颗粒尺寸分布函数来确定300nm或更小的所述颗粒尺寸的颗粒度量。
18.根据权利要求17所述的方法，所述超细颗粒具有200nm或更小的颗粒尺寸。
19.根据权利要求17所述的方法，所述超细颗粒具有100nm或更小的颗粒尺寸。
20.根据权利要求17所述的方法，其中，所述方法包括以下额外步骤：
-通过将第一阈值应用于基于所述至少一次自混合干涉测量而确定的测量结果来提供所述第一灵敏度，以便确定所述第一颗粒尺寸分布函数，
-通过将第二阈值应用于基于所述至少一次自混合干涉测量而确定的所述测量结果来提供所述第二灵敏度，以便确定所述第二颗粒尺寸分布函数。
21.一种包括代码单元的存储介质，所述代码单元能够被保存在由根据权利要求1至15中的任一项所述的激光传感器模块(100)所包括的至少一个存储器设备上，或者能够被保存在包括根据权利要求1至15中的任一项所述的激光传感器模块(100)的设备的至少一个存储器设备上，其中，所述代码单元被布置为使得能够借助于由所述激光传感器模块(100)所包括的至少一个处理器设备或者借助于包括所述激光传感器模块(100)的所述设备的至少一个处理设备来运行根据权利要求17-20中的任一项所述的方法。
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